基于ZiqBee技術的近距無線物聯通信系統

李晨來

摘要：文章介紹了一種具有通用性的近距無線物聯通信系統。該系統基于IEEE802.15.4物理層和媒體控制層的數字通信技術ZigBee，是一個超低功耗、低傳輸速率的近距無線物聯通信平臺。硬件部分主要由無線-UART、無線-USB、無線-Ethernet、無線-GPRS/GSM、無線-CDMA等模塊組成。軟件部分采用嵌入式設計，具有網絡容量大、低成本、低功耗、自組織、自愈合、數據安全等功能。整個系統平臺實現了多種有線和無線通信技術的有機結合，應用領域非常廣泛。

關鍵詞：IEEE802.15.4；ZigBee；無線通信：接口單元

目前，物聯網技術發展迅速，可靠的近距無線通信技術為物聯網的搭建提供支撐。在很多應用中需要無線子網內的設備與數據存儲處理代理服務器進行交互。此時，不僅需要UART串口、USB接口、以太網接口等傳統傳輸方式，無線通信技術更變得不可或缺[1]。本文描述了一種基于IEEE802.15.4的無線網絡和ZigBee技術的近距無線通信系統，將USB口，以太網，UART串口，GPRS/GSM，CDMA以及模擬量傳感器等多種功能有機的組織在一起。工作可靠，效率高，功能較為全面，擴展也很方便，克服了目前很多同類產品的不足[2]。系統總體示意如圖1所示。

1 工作原理和性能特點

1.1硬件部分

1.1.1無線USB模塊

本模塊由USB接口單元、DC/DC電源、CPU和RF天線單元組成（見圖2）。CPU芯片選用Ⅱ公司的CC2530。CC2530是TI公司推出的新一代ZigBee標準芯片，適用于2.4 GHz，IEEE802.15.4，ZigBee。它包含高性能RF收發器，工業標準增強型8051MCU，可編程的閃存，8 kB RAM等。USB接口單元采用FTDI公司的芯片FT232R，實現USB接口到串行接口的轉換，USB接口端可以連接個人電腦等終端設備，也可提供+5 v電源，另外一側連接CPU； DC/DC電源部分使用LDO芯片LM1086； RF天線單元采用RF前端采用TI公司的集成度很高的射頻前端芯片CC2591。通過CC2530 CPU芯片的控制，本模塊實現了USB接口單元與近距無線射頻單元的雙向通信。

1.1.2無線以太網模塊

本模塊由以太網接口單元、DC/DC電源、RF天線單元和主控CPU組成（見圖3）。其中DC/DC電源接收外部+5～+12V直流電壓、輸出本模塊需要的電源電壓；以太網接口單元采用韓國WIZnet公司的W5500以太網接口芯片，W5500芯片與CPU通過串口接口通信，最高支持80 MHz；其他組成部分與無線USB模塊中的對應部分相同。本模塊實現了互聯網到近距無線射頻單元的雙向通信，也是系統連接外網的核心。

1.1.3無線串口模塊

本模塊由UART接口單元、DC/DC電源、RF天線單元、A/D接口單元和主控CPU組成（見圖4）。本模塊可實時采集物聯網應用中的來自傳感器的信號。其中UA RT串口采用TI公司的TXB0102作為電平轉換接口：A/D接口單元可連接傳感器到CPU的片上模數轉換器；其他組成部分與前述模塊的對應部分相同。本模塊實現了UART串口與近距無線射頻單元的雙向通信。

1.1.4無線GPRS/GSM模塊

本模塊由GPRS/GSM單元、DC/DC電源、A/D接口單元、RF天線單元和主控CPU組成（見圖5）。本模塊可實時采集物聯網應用中的來自傳感器的信號。其中GPRS/GSM單元采用西門子的MC55子模塊，通過串口與主控CPU連接，其他組成部分與前幾種模塊的對應部分相同。本模塊實現了GPRS/GSM與近距無線射頻單元的雙向通信。

1.1.5無線CDMA模塊

本模塊由CDMA接口單元、DC/DC電源、A/D接口單元、RF天線單元和主控CPU組成（見圖61。本模塊可實時采集物聯網應用中的來自傳感器的信號。其中CDMA接口單元采用Anydata的DTGS-800；其他組成部分與前幾種模塊的對應部分相同。本模塊實現了CDMA接口單元與近距無線射頻單元的雙向通信。

1.1.6無線4G模塊

本模塊由4G接口單元、DC/DC電源、A/D接口單元、RF天線單元和主控CPU組成（見圖7）。本模塊可實時采集物聯網應用中的來自傳感器的信號。其中4G接口單元采用中興通信的EM3760，支持4G TD-LTE/LTE FDD/TD-SCDMA網絡：其他組成部分與前幾種模塊的對應部分相同。本模塊實現了4G接口單元與近距無線射頻單元的雙向通信。

1.2軟件部分

本系統的軟件部分是按照ZigBee協議棧的架構進行開發。ZigBee協議棧由ZigBee聯盟基于IEEE802.15.4標準開發。ZigBee聯盟是一個由285家公司聯合成立的聯合體。IEEE802.15.4定義了物理層（Physical Layer，PHY）和媒體訪問控制（Media Access Control，MAC）層，ZigBee聯盟在此基礎上定義了網絡（ Network，NWK）層和應用層（Application Layer， APL），構成ZigBee協議棧。

本系統的軟件部分構建在TI CC2530芯片及ZigBee2007協議棧的基礎上，符合ZigBee協議棧的架構，具有網絡容量大、低成本、低功耗、自組織、自愈合、數據安全等特點。主控芯片CC2530是一款真正的片上系統（System-on-a-Chip，SOC），搭配的Z-Stack協議棧對軟件的開發提供了支撐。系統中的每個設備都可作為一個節點，每個子網最多包含65 500個節點。

節點分為兩類：協調器（Cordinator）和終端節點（EndDevice）。協調器相當于網關，是整個ZigBee網絡的核心，所有數據最終都返回協調器；終端節點又分為路由節點和普通終端節點，路由節點可以當普通終端節點來使用，還可以連接到其他的路由節點和普通終端節點，而普通終端節點是整個網絡的最后一個點，不能連接到其他節點，只能直接返回數據給協調器。在這里，我們選擇無線——以太網模塊作為協調器，其他模塊作為普通節點，通過開發靈活而可靠的應用層協議，實現上述功能。所有網絡節點都按照ZigBee協議棧的架構進行通信和數據解析，共同完成網絡智能化組織和建立、信息收發及路由、自愈合、數據安全等功能。應用程序接口（Application Program皿ing Interface，API）為UARI串口、USB接口、以太網接口、GPRS/GSM通信、CDMA通信、4G通信、A/D轉換等提供服務。

協調器和普通節點的主程序框分別如圖8和圖9所示。

1.2.1網絡智能化組織、建立與維護

這部分功能主要通過ZigBee協議棧中的網絡層實現。由MAC層的調用行動來處理網絡地址和路由。它的任務包括啟動網絡（協調器）、分配網絡地址、添加和刪除網絡設備、路由信息、請求安全和執行路由發現。

1.2.2數據安全

系統安全性能直接決定了系統的應用價值。本系統的網絡安全主要通過ZigBee協議棧中的MAC層、NWK層和APL來實現。

基于IEEE802.15.4 PHY和MAC層，我們自定義應用層數據傳輸格式，并采取加密措施，提高網絡的安全性。通過設計MAC層和NWK層的安全幀結構，安全幀結構中定義保護密鑰字段，并配合芯片自帶的CRC校驗功能。同時所有的數據均采用AES-128加密算法、數據完整性檢查。

1.2.3低功耗系統實現

從硬件和軟件設計著手，低功耗系統實現方式。首先主控CPU CC2530是一個低功耗的片上系統，支持4種功耗模式，易于軟件動態調節功耗模式。同時軟件設計專門針對降低能耗進行了優化，采用了分時多址休眠策略：當普通節點發送數據時處于完全工作模式（PMo）：定時發送時段結束進入休眠狀態（PM1或PM2）；當消息隊列清空后，經過設定的延時，該節點進入深度休眠狀態（PM3），由協調器節點通過硬件中斷喚醒，回到完全工作模式。

2 結語

本文分別介紹了本系統的硬件和軟件部分。這種近距無線通信平臺可廣泛應用于工業控制、樓宇自動化、智能家居、能源管理、PC外設、健康看護等眾多物聯網應用領域。

[參考文獻]

[1]Eeworld.CC253x System-on-Chip Solution for 2.4-GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee～Applications[EB/OL].（2013-12-05） [2018-01-03].http：//download.e eworld.com.cn/download/Sur/2 83 492

[2]黃玉立，童玲，田雨.基于CC2531+CC291的WSN節電通信模塊設計[J]單片機與嵌入式系統應用，2011 （1）：71-73.